CAPITULO II PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

CAPITULO II    PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

II.1.- INTRODUCCIÓN A LA LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

La primera Ley de Termodinámica es en forma general la Ley de la Conservación de la Energía que establece que: "La energía no se crea ni se destruye sólo se transforma",  aplicable pues a todo el ámbito de clasificaciones de energía que se tiene en la naturaleza como puede ser la energía mecánica, eléctrica, magnética, nuclear, química, etc.

11.2.- PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

En la primera Ley de la Termodinámica se establece el mismo principio anterior, pero sólo para las energías relacionadas con los Sistemas Termodinámicos como son el calor, el trabajo y la energía cinética, potencial e interna, quedando esta, como sigue:

"Las energías propiedad de un sistema tales como la cinética, la potencial y la interna no se crean ni se destruyen sólo se transforman en energía en transferencia como son el calor y el trabajo"

La cual enuncia, en forma general, a la Primera Ley de la Termodinámica.

11.2.1.- PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA SISTEMAS CERRADOS

Aprovechando la definición anterior se analizará las diferentes transformaciones de energía que pueden ocurrir en un dispositivo conocido como el "Experimento de Joule", para poder establecer el modelo matemático que concluye lo establecido por la primera Ley de la Termodinámica para un sistema termodinámico cerrado.

[pic 2]

En el caso 1 de la figura se muestra un sistema que tiene una masa igual a "m" la cual pende de una polea y donde la cuerda que la sostiene se encuentra enredada en un mecanismo que hace girar el agitador que se encuentra dentro de un espacio perfectamente aislado el cual contiene en su interior un gas.

Definiendo a la masa m como un sistema "B" y el gas como un sistema "A", se tendría que al sistema "B" se le dejará caer de la posición "a" a la posición "b" recorriendo la altura "h". debido a lo anterior, el ventilador girará hasta alcanzar una velocidad máxima y poco a poco se irá deteniendo hasta detenerse por completo, teóricamente la energía que logró el ventilador, se transforma en un incremento de temperatura del gas, dentro del sistema.

Analizando primeramente al sistema "B" se tendrá: El sistema modificó su energía potencial en EPb - EPa = -ΔEP, un instante antes de llegar a la posición en "b" su energía cinética se modifica en:

[pic 3]

Lo anterior nos indica, entonces que la pérdida de energía potencial se transforma en un incremento de la energía cinética, sin embargo, al llegar a la posición "b" , sucede que Ecb = 0 puesto que el sistema se detiene, por lo tanto, en ese instante ΔEC es igual a cero y debido a esto se tendrá que  ΔEP se convirtió en trabajo. Este trabajo provoca que se incremente la Energía Cinética del ventilador, pero como después este se detendrá, la energía se convierte en un incremento de energía interna del gas debido a un incremento de su temperatura. Lo anterior se puede escribir de la siguiente manera:

[pic 4]

En el caso 2 de la figura sólo se retira el aislante del sistema A, por lo que se permitirá al sistema retornar a su temperatura inicial, después de cierto período, realizándose esto por una pérdida de energía en forma de calor, esto es:

[pic 5]

Finalmente se puede resumir que la pérdida de energía potencial de "B" se convierte en calor al medio ambiente, a través del sistema "A".

Ahora considerando a los dos sistemas "A" y "B" como un solo sistema termodinámico, al que simultáneamente se le extrae y suministra diferentes formas de calor y trabajo, tal y como se muestra en la figura II.1, para después simplificarlo  tal y como se muestra en la figura II.2.

[pic 6][pic 7]

             FIGURA  II.1                                                 FIGURA II.2

Aplicando la primera Ley de la Termodinámica al sistema termodinámico de la figura II.2:

[pic 8]

Esta expresión nos indica en forma matemática la establecido en la Primera Ley de la Termodinámica en forma general.

Para un Sistema Cerrado en que no cambia la velocidad ni la posición tal y como es el caso de este ejemplo, se tendrá:

[pic 9]

La anterior expresión matemática, se conoce como la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado.

II.2.2 PRIMERA LEY PARA SISTEMAS TERMODINAMICOS ABIERTOS

A diferencia de un Sistema Termodinámico Cerrado en el que las modificaciones de energía se ocasionan en las sustancia que es básicamente el "sistema", en un Sistema Termodinámico Abierto, que como fue definido anteriormente, tiene flujo de energía y materia a través de sus límites, las modificaciones de energía serán en la substancia de trabajo, entre la entrada y la salida del Sistema.

Antes de dar un planteamiento que nos lleve a una expresión matemática que concrete el principio de la Primera Ley de la Termodinámica en este tipo de sistemas será necesario establecer una nueva propiedad que en este momento es oportuno, la entalpia.

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